WORKBENCH飞行器关键结构拓扑优化设计

1August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.飞行器关键结构拓扑优化设计王伟达安世亚太高级工程师2August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.目录•飞行器结构拓扑优化需求分析•飞行器结构拓扑优化的解决方案及关键技术•飞行器结构拓扑优化的最佳实践◦GE安装座拓扑优化分析及验证◦航空轴承支架拓扑优化◦直升机旋翼连接器拓扑◦模块化弹射座椅结构优化3August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.飞行器结构拓扑优化需求分析•降低成本•轻量化需求•增材制造优势逐渐显现•拓扑优化技术日益成熟GE航空新型燃油喷嘴:•重量减轻25%•5倍寿命提升•设计生产效率提高20倍•更低成本4August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.目录•飞行器结构拓扑优化需求分析•飞行器结构拓扑优化的解决方案及关键技术•飞行器结构拓扑优化的最佳实践◦GE安装座拓扑优化分析及验证◦航空轴承支架拓扑优化◦直升机旋翼连接器拓扑◦舱门铰链臂拓扑优化◦模块化弹射座椅结构优化5August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.飞行器结构拓扑优化的解决方案及关键技术•连接到静力学或模态•定义优化目标和约束•获取优化后的几何模型•验证优化后的几何模型•SpaceClaim编辑优化后几何模型•SpaceClaim创建尺寸参数化•对优化后模型进行参数优化分析•为3D打印导出优化后几何格式文件6August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.飞行器结构拓扑优化的解决方案及关键技术•结构分析•线性静态结构分析•稳态分析•线性绑定接触•仅二维或三维实体结构分析•优化目标•最大刚度•单个和多个载荷步•最大固有频率•单个和多个频率•最小质量•最小体积•响应约束•质量•体积•整体(von-Mises)应力•局部(von-Mises)应力•反作用力•位移•固有频率•制造约束•最小元件尺寸•最大元件尺寸•脱模•挤出•周期对称18.118.17August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.飞行器结构拓扑优化的解决方案及关键技术•通过StaticStructuralorModal模块将仿真数据传递到拓扑优化模块上•NOTE:在R18.0，仅StaticStructuralorModal支持拓扑优化•支持低\高阶六面体，高阶四面体，具体单元包括：SHELL181、PLANE182、PLANE183、SOLID185、SOLID186、SOLID187；8August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.飞行器结构拓扑优化的解决方案及关键技术由于进行数据连接传递，“TopologyOptimization”模块出现在仿真分析树状图下在TopologyOptimization添加默认类型:•AnalysisSettings:多种求解器设置和控制•SolutionSelection:指示上游仿真类型•OptimizationRegion:定义优化区域或排除优化区域(该区域不移除材料)•约束变量:定义拓扑优化时极限质量或体积，最大应力等•目标变量:定义优化目标，例如最小柔度或者最大固有频率可在TopologyOptimization处插入额外的分析功能9August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.目录•飞行器结构拓扑优化需求分析•飞行器结构拓扑优化的解决方案及关键技术•飞行器结构拓扑优化的最佳实践◦GE安装座拓扑优化分析及验证◦航空轴承支架拓扑优化◦直升机旋翼连接器拓扑◦舱门铰链臂拓扑优化◦模块化弹射座椅结构优化10August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.选择优化区域:•Geometry•可能是整个组装件,部分组装件,或者单个或多个零件•NamedSelection•几何模型或者网格集合GE安装座拓扑优化分析及验证11August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.•对于StaticStructuralorModal分析的网格设置推荐：•使用四边形网格(保留中间节点)•如果可能，使用网格常数尺寸•分析设置•可以对收敛精度等进行检查或修改设置•系统控制或者默认设置•启动拓扑优化•右击TopologyOptimization下的Solutionobject并且选择“Solve”•注意:为了使用到最大数量的物理内核，可以使用SMP和DANSYS方式来进行加速•设置方法：ToolsSolverProcessSettings…Advanced…拓扑优化设置12August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.•求解器输出和收敛表格•从SolutionInformation中查看求解信息•从optimizationoutput中查看objectivesandresponseconstraints收敛图表信息•拓扑密度跟踪器•求解过程中，查看外形演变过程•NodalAveraged(默认)andElementalTopologyDensity的结果可以被跟踪•使用者可以在任何时刻停止求解(假如外形优化过程已经稳定)并且可以检查可用的结果信息监测优化过程13August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.可视化并检查NodalAveraged(默认)orElementalTopologyDensities•拓扑密度值范围（0～1.0）•高数值表示材料必须被保留，低数值表示多余材料可以被去除•阈值选项•使用者可以改变默认阈值，并使用直觉来决定”最优”拓扑结果•默认值0.5，作为优化拓扑结果参考值•彩色云图为决定最终的阈值提供通用的指导•高数值导致更“苗条”结构(更大胆设计),低数值导致”矮胖”结构(更保守设计)•根据所选择的阈值可以计算出拓扑优化后的体积和质量并且和原始的体积和质量对比，帮助用户进一步确定“更优化”拓扑结构优化结构后处理14August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.1.首先确认输出拓扑（STL文件）选项设置为Yes2.从拓扑优化系统的结果选项中启动设计验证系统•复制拓扑优化系统前的分析模块并且放在拓扑优化系统的下游•数据传递链接在拓扑优化系统的结果选项和设计验证系统的几何选项之间建立3.“更新”拓扑优化系统的结果选项4.“更新”验证系统的几何选项•优化后的STL格式文件和原始CAD模型都被传递到验证系统的几何模块中•默认使用SpaceClaim进行几何修正设计验证流程15August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.•在优化设计系统中启动SpaceClaim•优化后的STL格式文件和原始CAD模型都被传递到SpaceClaim中•重要:导入的STL文件不适于于进行验证分析.它必须被编辑并转化为实体几何模型•在SpaceClaim进行接下来的编辑操作•对小平面进行处理•可选择性对螺栓孔和接触面进行添加材料•精确捕捉原始CAD模型上施加边界条件的“棱柱”面•转化并编辑STL几何模为实体几何在SpaceClaim编辑STL文件（优化后几何）16August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.•在SpaceClaim使用小平面功能用来编辑STL几何•大量可用的编辑工具•重要：•使用小平面功能需要额外的许可证•根据如下操作激活SpaceClaim中的小平面功能：•FileSpaceClaimOptionsLicense•CheckSTLPrepcheckbox在SpaceClaim编辑STL文件（优化后几何）17August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.•使用最优数量的小平面精确呈现优化后的几何模型•在SpaceClaim里有无数工具可以使用，得到高质量的小平面来呈现优化后的几何模型•Shrinkwrap工具是实现上述目的的较好工具.它允许用户:•使用粗糙的小平面尺寸捕捉“有机”曲面.•使用“Gapsize”来设置需要的粗糙小平面尺寸•使用高精度的小尺寸平面捕捉“棱柱”曲面和其它重要几何特征•使用”Secondarysize”设置需要的小平面尺寸•使用“SelectTight-FitFacesofFacets”选项选择原始CAD模型中的曲面(如图中高亮蓝色显示)，这些曲面将会使用小平面尺寸•使用“Anglethreshold”设置需要的角度值，接下来满足此角度值的特征将会被保留•在SpaceClaim结构树下仅选择小平面选项，然后点击绿色对号，用于包裹优化后的STL几何模型在SpaceClaim编辑STL文件（优化后几何）18August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.•在螺栓孔和吊耳处创建实体区域•将建立好的实体区域添加到优化后的STL几何中•依据角度阈值，间隙和二次尺寸设置，将融合后的几何进行收缩包裹在SpaceClaim编辑STL文件（优化后几何）19August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.•在SpaceClaim模型树下选择Shrinkwrap模型•右键并选择转换为实体融合表面•创建实体•为传递数据做准备•重点是保证仅是用于验证的几何体传递到设计验证系统中•选择原始几何并进行抑制-右键并选择“Suppressforphysics”•退出SpaceClaim•使用“GenerateVirtualCells”，使用默认的“Automatic”设置转换为实体模型并传递到设计验证系统20August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.•再次对优化后的几何模型赋予材料和相关性能•再次施加载荷，约束和其它边界条件•再次应用和调整任何需要的网格尺寸并重新划分网格•也可以使用单元剖分方法中的PatchIndependent快速生成质量较高的单元。进行设计验证21August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.•求解并检查优化后的几何模型是否能达到设计目标•原始模型和优化后模型的仿真结果可以进行对比进行设计验证22August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.•在优化设计得到验证后，返回SpaceClaim为增材制作准备并输出优化后的几何•收缩包裹模型可以为3D打印直接输出STL文件为3D打印准备并输出优化后几何23August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.航空轴承支架拓扑优化原始模型优化后零件设计验证优化后的主轴承座取代了原有设计方案，并实现了结构创新设计。优化后的结构减重40%24August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.直升机旋翼连接器拓扑优化直升机旋翼连接器装配体复杂，基于静力学工况的拓扑优化分析对直升机飞行机动性有较大提升，优化后的结构减重30%，结构受力更均匀。原始模型优化后零件设计验证25August3,2017ANSYSUGM2017©2017ANSYS,Inc.模块化弹射座椅结构优化F-15飞机的弹射座椅通过拓扑优化，最终设计的座椅在可维护性、安全性、舒适性等方面都有很大程度提高